CN105244757B - 一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器及其制备方法和应用，所述微激光器由侧边抛磨光纤与WGM微激光元件组成，所述侧边抛磨光纤包括第一端口、第二端口以及抛磨区，所述WGM微激光元件置于侧边抛磨光纤的抛磨区上。本发明公开的制备方法简单，易实现，并且本发明实现了激光的耦合输出以及与光纤的集成，能促进WGM微激光器在光纤传感和信息领域的应用。

Description

一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器及其制 备方法和应用

技术领域

本发明属于微激光技术领域，涉及光纤耦合、半导体、微光学元器件和光信息技术，具体是一种以侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器及其制备方法和应用，通过微激光器与侧边抛磨光纤的耦合和集成，可以实现高品质的光泵浦回音壁模式微激光的输出。

背景技术

近年来，微激光器由于具有低损耗、体积小及可集成的优点，在光学传感、光通信、非线性光学等领域具有潜在的广泛应用，受到国内外研究学者的关注。构成微激光器的主要元件是光学微腔，是一种在微米至百微米量级的光学谐振腔，其特点是具有极高的品质因素(Quality factor,Q)和较低的模式体积。根据微腔的结构和形成激光的原理，主要有法布里一拍罗型平面微腔、光子晶体微腔、回音壁模式(Whispering-Gallery-Mode,WGM)微腔。其中，WGM微腔产生激光的原理是利用光在微腔界面上的全反射来实现对光场的强限制，光在腔内沿环形回路往返形成谐振来产生激光，其产生激光的Q值高达10¹⁰，远高于法布里一拍罗型平面微腔和光子晶体微腔的Q值。正是由于这么高的Q值，使得WGM微激光器在很多领域获得了深入的研究进展。

尽管WGM微激光器获得了较大的研究进展，但是其激光的耦合输出以及与光纤的集成一直是个技术难题，严重地阻碍了WGM微激光器在光纤传感和信息领域的发展进程。目前，已有的解决方式有半导体纳米线和微光纤复合结构微激光器以(如CN200810164186.9)及多波长半导体纳米线和微光纤复合结构微激光器(CN200910154254.8)，可以有效地将产生的激光通过光纤耦合输出，但是，器件制作的复杂性和工作的不稳定性限制了其应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器及其制备方法和应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器，所述微激光器由侧边抛磨光纤与WGM微激光元件组成，所述侧边抛磨光纤包括第一端口、第二端口以及抛磨区，所述WGM微激光元件置于侧边抛磨光纤的抛磨区上。

进一步，所述侧边抛磨光纤制备方法如下：在圆形光纤上，利用光纤侧边抛磨装置去除光纤材料的部分包层形成横截面为“D”的抛磨区，抛磨区沿着光纤的长度为5～25mm，抛磨面与纤芯界面的距离为1～8μm。

进一步，所述光纤材料为普通单模光纤或多模光纤。

进一步，所述WGM微激光元件是由量子点材料或荧光材料以及固化剂组成的直径为5～10μm的微半小球。

进一步，所述量子点材料为ZnO、AgInZnS或CuInZnS，所述荧光材料为罗丹明6G荧光材料。

进一步，所述固化剂为HB-593无色透明环氧树脂固化剂。

2、一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器的制备方法，步骤如下：

1)利用光纤侧边抛磨装置对一段圆形光纤进行抛磨处理，制备成侧边抛磨光纤，抛磨区的长度是5～25mm，抛磨面与纤芯界面的距离为1～8μm，抛磨区的横截面为“D”字型，侧边抛磨光纤具有输入的端口1和输出的端口2；

2)在真空环境下，采用氩气和氧气混合的等离子体对步骤1)植被完成的抛磨区进行净化处理，去除上面的有机污染物；

3)采用紫外臭氧清洗机，在温度90℃～100℃下,对抛磨区进行3～5分钟的处理，使抛磨区具有一定的亲水性；

4)配制好液相量子点或荧光材料，其中荧光材料的浓度范围为1mg/ml～3.5mg/ml，量子点的浓度范围为0.2mol/L～2.5mol/L，同时，向配制好的液相量子点或荧光材料里加入固化剂，固化剂与液相量子点或荧光材料比例为1:15～1:25；

5)采用微米针头大小的注射器吸入一定量步骤4)制备完成的混合溶液，对准经步骤3)处理完成的侧边抛磨光纤的抛磨区域，向侧边抛磨光纤的抛磨区域上滴下液体形成微半小球；

6)将经步骤5)制备完成的材料在70～75℃温度条件下进行干燥20分钟左右，以将微半小球固化在侧边抛磨光纤的抛磨区域上。

进一步，所述步骤4)中固化剂与液相量子点或荧光材料的比例为1:20。

进一步，所述步骤5)所述微半小球直径为5～10μm，通过控制注射器推拉速度以及注射器针头与抛磨区的垂直距离控制微半小球的直径大小。

3、一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器组成的激光输出装置，所述装置包括依次设置的激光光源发出装置，隔离器，微激光器，滤波器，所述隔离器与滤波器安装在微激光器的侧边抛磨光纤两侧。隔离器的作用是防止产生的激光反向传播到端口1，滤波器的作用是滤到泵浦光源信号，只让微半小球的WGM激光器的激光输出。

在侧边抛磨光纤的第一端口输入YAG激光器的泵浦光源，经隔离器进入侧边抛磨光纤，随着泵浦光源的强度增加，达到激发阈值之后，微半小球以WGM模式产生激光，产生的激光以倏逝波光场的形式耦合进入侧边抛磨光纤的、输出端口，经滤波器后，在侧边抛磨光纤的第二个端口输出。

本发明的有益效果在于：本发明实现了激光的耦合输出以及与光纤的集成，能促进WGM微激光器在光纤传感和信息领域的应用。并且本发明限定的微激光器的制备方法简单，并且得到的微激发器性能稳定。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1表示制备基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器的步骤；

图2表示抛磨区的“D”型横截面；

图3表示激光输出装置；

图4表示实施例1该集成结构微激光器的输出光谱随泵浦光强度变化的实验曲线图；

图5表示实施例2该集成结构微激光器的输出光谱随泵浦光强度变化的实验曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

一、按如图1所示步骤进行制备基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器：

1)利用光纤侧边抛磨装置对一段圆形普通光纤进行抛磨处理，制备成侧边抛磨光纤，抛磨区的长度是20mm，抛磨面与纤芯界面的距离为4μm，磨区的横截面为“D”字型，如图2所示，侧边抛磨光纤具有输入的端口1和输出的端口2；

2)侧边抛磨光纤制备好之后，在真空环境下，采用氩气和氧气混合的等离子体对抛磨区进行净化处理，去除上面的有机污染物；

3)采用紫外臭氧清洗机，在温度90℃下,对抛磨区进行5分钟的处理，使抛磨区具有一定的亲水性，以便在抛磨区制备微半小球的WGM微激光器；

4)将一定量的罗丹明6G荧光材料溶于乙醇中，形成浓度为1.5mg/ml的液相罗丹明6G荧光材。同时，向配制好的液相罗丹明6G荧光材料里，加入一定量的HB-593无色透明环氧树脂固化剂，固化剂与液相罗丹明6G荧光材料的优化的体积比通常为1:20。

5)采用微米针头大小的注射器吸入一定量的固化剂与液相量子点或荧光材料的混合溶液，对准侧边抛磨光纤的抛磨区域，缓慢地将液相量子点或荧光材料，转移到侧边抛磨光纤的抛磨区域，在亲水性的作用下，稳定地在侧边抛磨光纤的抛磨区域上形成直径为10微米的微半小球结构；

6)将制备好具有微半小球结构的侧边抛磨光纤放入烘烤箱里面，烘烤箱里面的温度从室温以50℃/分钟的升温速率，升高到70℃，然后在70℃的烘箱环境下，烘烤20分钟，以将微半小球固化在侧边抛磨光纤的抛磨区域上，完成基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器的制备。

二、由基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器组成激光输出装置并进行光谱测试；所述装置包括依次设置的激光光源发出装置，隔离器，微激光器，滤波器，所述隔离器与滤波器安装在微激光器的侧边抛磨光纤两侧，如图3所示。

在制备好的器件第1端口，输入YAG激光器的泵浦光源，经隔离器进入侧边抛磨光纤，隔离器的作用是防止产生的激光反向传播到端口1，随着泵浦光源的强度增加，达到激发阈值之后，微半小球以WGM模式产生激光，产生的激光以倏逝波光场的形式耦合进入侧边抛磨光纤的输出端口，经滤波器后，在侧边抛磨光纤的第二个端口输出，滤波器的作用是滤到泵浦光源信号，只让微半小球的WGM激光器的激光输出，该微激光器的输出光谱随泵浦光强度变化的实验曲线图如图4所示。从图4可看出，随着泵浦光源强度的增加，激发的荧光光谱的宽度变窄，强度变强。当泵浦光的强度达到12μJ时，明显出现锐利的峰，表明激光形成。

实施例2

一、按如图1所示步骤进行制备基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器：

1)利用光纤侧边抛磨装置对一段圆形普通光纤进行抛磨处理，制备成侧边抛磨光纤，抛磨区的长度是20mm，抛磨面与纤芯界面的距离为4μm，磨区的横截面为“D”字型，如图2所示，侧边抛磨光纤具有输入的端口1和输出的端口2；

2)侧边抛磨光纤制备好之后，在真空环境下，采用氩气和氧气混合的等离子体对抛磨区进行净化处理，去除上面的有机污染物；

3)采用紫外臭氧清洗机，在温度90℃下,对抛磨区进行5分钟的处理，使抛磨区具有一定的亲水性，以便在抛磨区制备微半小球的WGM微激光器；

4)向0.5mol/L的液相量子点ZnO材料里，加入一定量的HB-593无色透明环氧树脂固化剂，固化剂与液相量子点ZnO材料的优化的体积比通常为1:25。

5)采用微米针头大小的注射器吸入一定量的固化剂与液相量子点或荧光材料的混合溶液，对准侧边抛磨光纤的抛磨区域，缓慢地将液相量子点或荧光材料，转移到侧边抛磨光纤的抛磨区域，在亲水性的作用下，稳定地在侧边抛磨光纤的抛磨区域上形成直径为5微米大小的微半小球结构；

6)将制备好具有微半小球结构的侧边抛磨光纤放入烘烤箱里面，烘烤箱里面的温度从室温以50℃/分钟的升温速率，升高到70℃，然后在70℃的烘箱环境下，烘烤20分钟，以将微半小球固化在侧边抛磨光纤的抛磨区域上，完成基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的微激光器的制备。

二、由基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器组成激光输出装置并进行光谱测试；所述装置包括依次设置的激光光源发出装置，隔离器，微激光器，滤波器，所述隔离器与滤波器安装在微激光器的侧边抛磨光纤两侧，如图3所示。

在制备好的器件第1端口，输入YAG激光器的泵浦光源，经隔离器进入侧边抛磨光纤，隔离器的作用是防止产生的激光反向传播到端口1，随着泵浦光源的强度增加，达到激发阈值之后，微半小球以WGM模式产生激光，产生的激光以倏逝波光场的形式耦合进入侧边抛磨光纤的输出端口，经滤波器后，在侧边抛磨光纤的第二个端口输出，滤波器的作用是滤到泵浦光源信号，只让微半小球的WGM激光器的激光输出，该微激光器的输出光谱随泵浦光强度变化的实验曲线图如图5所示。从图5可看出，随着泵浦光源强度的增加，激发的荧光光谱的宽度变窄，强度变强。当泵浦光的强度达到80μJ时，明显出现锐利的峰，表明激光形成。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器，其特征在于，所述微激光器由侧边抛磨光纤与WGM微激光元件组成，所述侧边抛磨光纤包括第一端口、第二端口以及抛磨区，所述WGM微激光元件置于侧边抛磨光纤的抛磨区上，所述侧边抛磨光纤制备方法如下：在圆形光纤上，利用光纤侧边抛磨装置去除光纤材料的部分包层形成横截面为“D”的抛磨区，抛磨区沿着光纤的长度为5～25mm，抛磨面与纤芯界面的距离为1～8μm，所述光纤材料为普通单模光纤或多模光纤，所述WGM微激光元件是由量子点材料或荧光材料以及固化剂组成的直径为5～10μm微半小球。

2.根据权利要求1所述一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器，其特征在于，所述量子点材料为ZnO、AgInZnS或CuInZnS，所述荧光材料为罗丹明6G荧光材料。

3.根据权利要求1所述一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器，其特征在于，所述固化剂为HB-593无色透明环氧树脂。

4.权利要求1～3所述一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器的制备方法，其特征在于：步骤如下：

1)利用光纤侧边抛磨装置对一段圆形光纤进行抛磨处理，制备成侧边抛磨光纤，抛磨区的长度是5～25mm，抛磨面与纤芯界面的距离为1～8μm，抛磨区的横截面为“D”字型，侧边抛磨光纤具有输入的端口(1)和输出的端口(2)；

2)在真空环境下，采用氩气和氧气混合的等离子体对抛磨区进行净化处理，去除上面的有机污染物；

3)采用紫外臭氧清洗机，在温度90℃ ～100℃下,对抛磨区进行3～5分钟的处理，使抛磨区具有一定的亲水性；

4)配制好液相量子点或荧光材料，其中荧光材料的浓度范围为1mg/ml～3.5mg/ml，量子点的浓度范围为0.2mol/L～2.5mol/L，同时，向配制好的液相量子点或荧光材料里加入固化剂，固化剂与液相量子点或荧光材料比例为1:15～1:25；

5)采用微米针头大小的注射器吸入一定量步骤4)制备完成的混合溶液，对准经步骤3)处理完成的侧边抛磨光纤的抛磨区域，向侧边抛磨光纤的抛磨区域上滴下液体形成微半小球；

6)将经步骤5)制备完成的材料在70～75℃温度条件下进行干燥20分钟左右，以将微半小球固化在侧边抛磨光纤的抛磨区域上。

5.根据权利要求4所述基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中固化剂与液相量子点或荧光材料的比例为1:20。

6.根据权利要求4所述基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤5)所述微半小球直径为5～10μm，通过控制注射器推拉速度以及注射器针头与抛磨区的垂直距离控制微半小球的直径大小。

7.由权利要求1～3所述一种基于侧边抛磨光纤为载体和传输通道的回音壁模式微激光器组成的激光输出装置，所述装置包括依次设置的激光光源发出装置，隔离器，微激光器，滤波器，所述隔离器与滤波器安装在微激光器的侧边抛磨光纤两侧。